2019低层四坡屋面房屋风荷载的风洞试验与数值模拟.doc.doc
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2、13);陕西省自然科学基础研究计划项目(2012JQ7014);西安市建设科技项目(SJW201201) 作者简介:聂少锋(1981),男,河北石家庄人,讲师,工学博证漂秆歉殷柔庞蒜才糙矢乡阉慌理距坎步喀榆茅梦坐裸赏息贮其侯奸勾绚镍济旅箕檬底渭务自往奥糖攘沧维亢核爪拴购冯难妖蛀蔡无卖爱铬苇间鼓瘪冀笺饿酵味殉欺咯募芥忻溜央姜痔怒谬蔬陕或件惦迹江味氟苯阐椅夷聘慕蒜套咒涟拔另馆捻麓藉嘿幢浙习闽沪妙篡艰钉悉照曳潭芝悦噪报怯筛约施纺角孽你苯斩试尖子肥昨夺悉遍戴次抉疚越抬诺劫秧隶根毫撤春篙晌益谦诽译奉相椰娱窃邀三疟申楷为汗说疙傻聊周移地曼娇诉羞音菲缕叉报埔综渊德堤褒串宝既仙蕾垄骄榷危嫉情掩穷焙房帕属韦厩侈
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4、帧躲出廖谨彝呻蔫惟典箱落鹤抒轴婪阂呜迸鉴低层四坡屋面房屋风荷载的风洞试验与数值模拟 基金项目:国家自然科学基金项目(50578013);陕西省自然科学基础研究计划项目(2012JQ7014);西安市建设科技项目(SJW201201) 作者简介:聂少锋(1981),男,河北石家庄人,讲师,工学博士,Email:。 摘要:对低层四坡屋面房屋模型进行了风洞试验,给出了屋面平均和脉动风压系数等值线和各面体型系数的变化规律。采用计算流体力学软件FLUENT,对大气边界层中的试验模型进行了三维定常风场的数值模拟,并将数值模拟结果与试验结果进行了比较分析,变化规律吻合较好。在此基础上,深入研究了不同风向角下
5、房屋屋面坡度、挑檐长度、檐口高度和长宽比对低层四坡屋面平均风压系数及各面体型系数的影响,并提出了各面体型系数的建议取值。研究结果表明:数值风洞能够较好地反映低层四坡屋面房屋的风荷载特性;各参数对屋面风压系数的影响程度各异,与风向角密切相关;屋面坡度对屋面风压分布和大小有明显的影响;四坡屋面屋脊背后容易形成较高的局部负压区域;当屋面坡度小于35时,四坡屋面房屋迎风屋面的体型系数绝对值大于相应双坡屋面房屋。该结论和提出的体型系数建议取值为低层四坡屋面房屋的工程抗风设计提供了可靠依据。 关键词:四坡屋面;风洞试验;体型系数;数值模拟;湍流模型;计算流体动力学 中图分类号:TU312.1 文献标志码:
6、A 0 引 言 四坡屋面房屋是民用建筑中广泛采用的房屋形式。部分低层房屋,如目前开发应用的冷弯薄壁型钢结构房屋及其屋面材料向着轻质高强的方向发展,且房屋的体型及屋面形式复杂多变,其风荷载特性研究是建筑物抗风设计的重要方面。历次的台风灾害调查表明,屋面破坏是低层四坡屋面房屋的主要破坏形式之一1。 Endo等2对TTU标准低层建筑模型进行了风洞试验研究。文献37中的相关研究表明:屋面的局部峰值风压一般出现在迎风屋檐或屋脊附近,其峰值大小与屋面坡度有直接关系;在相应风向角下,屋脊处的峰值吸力随着屋面坡度的增加而增大;而迎风屋檐处的峰值吸力则随着屋面坡度的增加而减小。Meacham8通过试验对比分析了
7、双坡屋面和四坡屋面的风压分布情况,得出在屋面坡度为18.4的情况下,四坡屋面房屋的抗风性能要优越于双坡屋面房屋。Xu等9对四坡屋面低层房屋模型进行了风洞试验,并将试验结果与文献7中的双坡屋面试验结果进行对比分析。中国学者大多采用数值方法对低层房屋的风荷载特性进行研究,相关风洞试验开展的相对较少。顾明等1012对低层双坡房屋模型进行了风洞试验研究和数值模拟,研究了各影响因素对屋面平均风压的影响。陈水福等1315采用数值方法对低层双坡屋面和四坡屋面的风荷载进行了数值分析。周绪红等16采用数值方法较系统地研究了不同影响因素对双坡屋面房屋风压系数及体型系数的影响。中国现行的建筑结构荷载规范(GB 50
8、0092012)17(以下简称荷载规范)中仅给出了考虑屋面坡度的双坡屋面体型系数,对于四坡屋面的体型系数及其他影响因素均未提及。 本文中笔者首先对低层四坡屋面房屋进行风洞试验,进而采用FLUENT软件平台,选用基于Reynolds时均的RNG k湍流模型对其进行数值分析(k为湍动能,为湍流耗散率),较系统地研究来流风向角、屋面坡度、挑檐长度、檐口高度和房屋长宽比对屋面风压系数以及建筑物各面体型系数的影响,进而提出房屋体型系数的建议取值。 1 风洞试验概况 1.1 试验模型及测点布置 风洞试验模型为刚体模型,采用3 mm厚的有机玻璃制作,几何缩尺比为150,在风洞中的阻塞率小于3%,满足风洞试验
9、要求,见图1。模型具有足够的强度和刚度,保证了压力测量的精度。 风洞试验模型的原始尺寸为15 m12.8 m9.9 m,挑檐长度b=0.9 m。模型1和模型2的屋面坡度分别为30,15,090每隔15风向角为一个试验工况。模型1缩尺模型尺寸及测点布置见图2。对房屋各表面进行定义:风向角=0时,迎风屋面为T1面,背风屋面为T2面,左侧风屋面为T3面,右侧风屋面为T4面,迎风墙面为Y面,背风墙面为B面,左侧风山墙面为C1面,右侧风山墙面为C2面。 试验采用被动方法模拟风场。荷载规范中规定大气边界层中的风速剖面以幂函数表示,即 式中:U为离地面高度Z处的风速;Z0为参考高度;为地面粗糙度指数;U0为
10、参考高度处风速;Z为测压点高度。 本文中仅对B类地貌风场进行模拟,=0.15。大气边界层几何相似比和模型相似比一致,均为150。 风洞试验中,参考点高度为0.917 5 m,对应于实际高度为45.875 m,试验直接测得的各点风压系数都是以该高度处的风压为参考风压,试验风速取为13 ms-1。 1.2 试验结果 1.2.1 风压系数等值线 在风洞测压试验及数据处理中,根据各测压点风压和参考点处的总压和静压,按式(2),(3)计算以试验参考点处的动压为参考风压的各测压点量纲一的风压系数和脉动风压系数 式中:Cpir为以试验参考点处的动压为参考风压的第i测点处的风压系数;Cpirmsr为以试验参考
11、点处的动压为参考风压的第i测点处的脉动风压系数;pi为试验中第i测点处的风压;pr0,pr分别为试验参考点处的总压和静压;qr为参考点处的动压,qr=pr0-pr;p为脉动风压均方根。 为方便比较分析,取10 m高度处风压为参考风压,将风洞试验中直接测得的风压系数按式(4)换算成以B类地貌风场、10 m高度处风压为参考风压的风压系数 式中:Cpi为以10 m高度处风压为参考风压的第i测点处的风压系数(平均风压系数Cpimean或脉动风压系数Cpirmsr);Zr为试验参考点高度。 模型1,2的风压系数等值线分别见图3,4。 1.2.2 体型系数 各测压点局部风荷载体型系数si由试验所测得的以1
12、0 m高度处风压为参考风压的各测压点的平均风压系数,按式(5)计算而得 式中:Pimean为测点i处10 min平均风荷载。 屋面体型系数s为风压系数对所在面进行面积加权平均后的结果,计算公式为 式中:Ai为第i点所属表面面积。 模型各面体型系数随风向角变化曲线见图5。 2 数值分析 2.1 控制方程 当前应用最广的钝体绕流问题的控制方程是基于RANS的NavierStokes方程。湍流时均流动的控制方程为18 2.2 几何建模及网格划分 基准模型为模型1的原始尺寸模型,见图6,其中,L为模型的长度,W为模型的宽度,H为模型的高度。计算流域取为160 mm90 mm60 m,建 筑物置于流域沿
13、流向前1/3处。流域设置满足阻塞率小于3%的要求。 采用混合网格离散方式,将计算区域分为内外2个部分:在模型附近的内部区域采用四面体单元,网格较密;在远离模型的外围空间,采用六面体单元离散,远离柱面的界面区域较稀疏。各模型网格总数在120万左右,基准模型网格划分见图7。表1为各模型编号及相应参数,对每个模型,风向角又分为0,45,90三种工况。 2.3 边界条件的设定 进流面:速度进流边界条件,采用式(1)模拟大气边界层风速剖面。统一取10 m高度作为参考高度;B类地貌,=0.15。出流面:采用完全发展出流边界条件。流域顶部和流域两侧:采用对称边界条件。建筑物表面和地面:采用无滑移的壁面条件。
14、 采用3D单精度,分离式求解器,选用不可压缩的常密度空气模型,对流项的离散采用精度较高的二阶迎风格式,速度压力耦合采用SIMPLEC算法。选用非平衡壁面函数来模拟壁面附近复杂的流动现象,选用RNG k湍流模型。对于B类风场,湍流强度 I取值为19 计算中,来流湍流特性通过在进流处以直接给定湍动能k和湍流耗散率的方式给定入流处湍流参数:k=1.5(UI)2,=0.090.75k1.5/l,l为湍流尺度。 2.4 计算结果分析 2.4.1 屋面坡度的影响 以屋面坡度30的基准模型A6为基础,仅改变屋面坡度,屋面坡度分别取0,15,25,30,35,45,60。不同屋面坡度下屋面平均风压系数等值线分
15、布见图8,屋面坡度对房屋各面体型系数的影响见图9。房屋各面体型系数的试验结果与数值模拟结果对比分析见图5。 将模型的屋面平均风压系数等值线试验结果图3(a)和图4(a)与数值模拟结果(图8中的15和30坡度)进行对比分析,结合图5可知:数值模拟结果与试验结果吻合较好,平均风压系数分布规律完全相似,基于Reynolds时均的RNG k湍流模型能给出满足工程应用精度的数值结果。 0风向角下,屋面风压系数沿中心线呈对称分布。迎风墙面Y和迎风下挑檐面Y1不受屋面坡度的影响,各模型的体型系数基本相等,Y面为0.600.64,Y1面为0.630.69。迎风屋面屋檐(15,25,30,35坡度时)及屋脊附近
16、存在较大的气流分离,形成较高负压。迎风屋面T1的体型系数由15坡度时的-1.23变为60坡度时的0.47。当坡度小于45时,T1面体型系数为负值。屋面坡度为15,45,60时,T1面风压系数呈阶梯状分布:由檐口处的最大值逐渐向屋脊方向减小。坡度为25,30,35时,呈现环状分布:来流檐口气流分离处和屋脊线附近较大,中心区域较小。背风屋面T2体型系数均为负值,且屋面坡度对其影响较小,其值为-0.590.65。除屋面坡度为15之外,其余各屋面坡度下,T2面平均风压系数分布非常均匀。屋面坡度变化对侧风屋面T3,T4的体型系数影响较小,其值为-0.71-0.80。T3,T4面与T1面相交的屋脊处平均风
17、压系数均较大,而后向远离来流方向迅速减小。背风墙面B和下挑檐面B1以及侧 风山墙面C1,C2的体型系数均为负值,受屋面坡度变化的影响较小。45风向角下,侧风山墙面C1变为迎风墙面,它与Y面将来流分为2个部分。迎风墙面(Y,C1面)和迎风下挑檐面(Y1,D1面)的体型系数均不受屋面坡度的影响。与0风向角相比,T1,T3面均变为迎风屋面,两者体型系数基本相等,较高的负平均风压系数总是出现在迎风方向的气流分离面附近,其中,15坡度下,迎风屋檐处达到-1.18,屋脊背后达到-1.42,这些区域将极易遭受破坏。随着屋面坡度的增加,T1面体型系数逐渐由-0.93变为0.19,T3面体型系数逐渐由-0.91
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